基于FSV技術(shù)的復(fù)雜水面目標(biāo)電磁散射評(píng)估研究

祝祥，鄭東

（1.海軍駐武漢地區(qū)第五軍事代表室，武漢 430205； 2.武漢船舶通信研究所，武漢 430205）

簡(jiǎn)介

近來，特征選擇性驗(yàn)證技術(shù)逐漸應(yīng)用于判定試驗(yàn)結(jié)果與仿真的一致性。特征選擇性驗(yàn)證技術(shù)主要分為兩個(gè)部分，幅度差異測(cè)量(ADM)和調(diào)整差異測(cè)量(FDM)，以及二者被整合成一個(gè)針對(duì)數(shù)據(jù)全局一致性的判定（GDM）。詳細(xì)概念性說明可以在相關(guān)文獻(xiàn)[1-4]中找到。

另一方面，隨機(jī)粗糙表面的探測(cè)一直是業(yè)界研究的重點(diǎn)。多年來，粗糙面的微波散射研究，例如類海洋表面，被廣泛的發(fā)表在各種文獻(xiàn)資料中。其中，絕大部分研究成果集中于海面或者海面上目標(biāo)的散射。如文獻(xiàn)[5]針對(duì)隨機(jī)粗糙表面電磁散射與逆散射中的若干問題重點(diǎn)研究了一維和二維隨機(jī)粗糙表面的時(shí)諧波、超寬帶脈沖波的電磁散射，給出了粗糙表面的逆散射重構(gòu)和統(tǒng)計(jì)參數(shù)反演方法；文獻(xiàn)[6]詳細(xì)介紹了隨機(jī)粗糙表面電磁散射微擾法和基爾霍夫近似方法(KA)在內(nèi)的經(jīng)典的解析計(jì)算方法。但是，關(guān)于利用FSV技術(shù)評(píng)估湖面或湖面艦船目標(biāo)的電磁散射研究相對(duì)不多。

在本研究中，我們首先介紹了兩類典型的湖面和海面理論模型，隨后仿真分析了湖面和海面的電磁散射特征，再考慮加上典型艦船目標(biāo)，利用特征選擇性驗(yàn)證技術(shù)FSV對(duì)縮比湖面和海面表面散射進(jìn)行仿真計(jì)算分析和結(jié)果一致性評(píng)估。

1 理論模型

隨機(jī)粗糙表面的理論模型主要包含湖面模型和海面模型，前者以風(fēng)驅(qū)湖譜模型為代表，后者以JONSWAP海譜模型為代表。海面是一個(gè)不規(guī)則的隨時(shí)間變化的粗糙面，一般通過基于海譜的統(tǒng)計(jì)特性來模擬粗糙海面，從海洋學(xué)現(xiàn)有觀測(cè)和研究成果，海譜能很好地描述充分發(fā)展海面的頻域特性，海譜模型主要是通過對(duì)在海上獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合而得到的，它是研究海面模型、電磁散射模型和海面回波仿真的基礎(chǔ)。JONSWAP海譜模型為描述海面特征的基本模型之一，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)海洋譜。本文中主要將美國(guó)密歇根湖的典型風(fēng)驅(qū)譜模型引入粗糙湖面的電磁散射計(jì)算之中，JONSWAP海譜模型則被用于計(jì)算粗糙海面的散射。

1.1 湖面模型

基于密歇根湖附近Muskegon塔觀測(cè)得出的風(fēng)驅(qū)湖譜模型，為一個(gè)有限深度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停绻剑?）所示：

式中，

1.2 海面模型

典型的Jonswap海譜模型是波數(shù)，k等變量的函數(shù)，如公式（2）所示。

式中：

g—重力加速度；0

ω—尖峰頻率；

γ—尖峰因子，其均值一般為3.3，尖峰參數(shù)，α= 0.076x?-0.22是與風(fēng)速和相關(guān)長(zhǎng)度相關(guān)的參數(shù)；

1.3 FSV技術(shù)

特征選擇性驗(yàn)證技術(shù)即FSV技術(shù)，F(xiàn)SV技術(shù)通常要求數(shù)據(jù)集的數(shù)目保持一致，該方法要求被比較數(shù)據(jù)具有類似的形式，并且不受采樣的約束和影響。FSV的動(dòng)機(jī)和目標(biāo)就是模擬一種視覺上的比較，一旦插值并不明顯影響結(jié)果，那么方法就是完全可接受的。經(jīng)過過濾和變換后的數(shù)據(jù)集被用于計(jì)算幅度差異測(cè)量值A(chǔ)DM和調(diào)整差異測(cè)量值FDM，以及最后合成為一致性的判定值GDM。

2 結(jié)果比較

基于雷達(dá)散射截面積RCS這一電磁散射特征量，可以用計(jì)算機(jī)仿真手段得到。圖1所示為考慮粗糙面的復(fù)雜艦船目標(biāo)電磁模型。圖2為垂直極化VV條件下，復(fù)雜艦船目標(biāo)在湖面（150 GHz）和海面（50 GHz）的雷達(dá)散射截面積RCS值。圖3為水平極化HH條件下，復(fù)雜艦船目標(biāo)在湖面（150 GHz）和海面（50 GHz）的雷達(dá)散射截面積RCS值。圖2和圖3中,橫坐標(biāo)表示角度，縱坐標(biāo)為雷達(dá)散射截面積RCS值，虛線表示是150 GHz時(shí)湖面仿真結(jié)果，對(duì)應(yīng)縮比比例1:150，而實(shí)線表示是50 GHz時(shí)海面仿真結(jié)果，對(duì)應(yīng)縮比比例1: 50。正如我們所知，二者間對(duì)應(yīng)的RCS縮比系數(shù)應(yīng)為9。而且，為了便于比較，在圖2和3中以縮比轉(zhuǎn)換后結(jié)果繪制出來。在0～360 °全角域范圍內(nèi)，兩種場(chǎng)景下的RCS量值幾乎完全一致，僅僅是在個(gè)別角度上有所差異，如在某些零點(diǎn)位置，這種差異可能超過3 dB。當(dāng)重點(diǎn)考慮均值時(shí)，這種差異不會(huì)帶來明顯區(qū)別。

圖1 考慮粗糙面的復(fù)雜艦船目標(biāo)電磁模型

圖2 復(fù)雜艦船目標(biāo)在湖面和海面條件下RCS值（VV極化）

圖3 復(fù)雜艦船目標(biāo)在湖面和海面條件下RCS值（HH極化）

利用前述FSV方法處理圖2與圖3中數(shù)據(jù)，分別得到圖4與圖5中對(duì)應(yīng)的結(jié)果。圖4為基于FSV技術(shù)的垂直極化條件下復(fù)雜艦船目標(biāo)在湖面和海面條件下RCS值的ADM、FDM和GDM結(jié)果。圖5為基于FSV技術(shù)的水平極化條件下復(fù)雜艦船目標(biāo)在湖面和海面條件下RCS值的ADM、FDM和GDM結(jié)果。在圖4與圖5的GDM柱狀圖中，尖峰可以迅速被識(shí)別，而且兩極分化趨勢(shì)明顯，這是數(shù)據(jù)集動(dòng)態(tài)范圍較大且變化劇烈所致，具體表現(xiàn)為，有時(shí)候吻合得很好，而有時(shí)候符合得較差。FDM和ADM柱狀圖也展示出了類似的趨勢(shì)特點(diǎn)。值得注意的是，雖然在兩幅圖（圖2、圖3），對(duì)比曲線都較為相近，但是從圖4、圖5中的柱狀圖對(duì)比可以看出，VV極化情況下數(shù)據(jù)的吻合程度要好于HH極化情況下的結(jié)果。

圖4 基于FSV技術(shù)的復(fù)雜艦船目標(biāo)在湖面和海面條件下RCS值的ADM、FDM和GDM結(jié)果（VV極化）

圖5 基于FSV技術(shù)的復(fù)雜艦船目標(biāo)在湖面和海面條件下RCS值的ADM、FDM和GDM結(jié)果（HH極化）

3 結(jié)論

本文在介紹風(fēng)驅(qū)湖面模型和Jonswap海譜模型的基礎(chǔ)上，基于特征選擇性驗(yàn)證FSV技術(shù)應(yīng)用于艦船復(fù)合電磁散射數(shù)據(jù)，進(jìn)行了初步的研究探討。研究結(jié)果表明，電磁散射初始數(shù)據(jù)與其FSV值的尖峰對(duì)應(yīng)吻合得較好，兩極分化的趨勢(shì)也比較顯著。這反映出數(shù)據(jù)集間部分吻合得很好，而部分吻合程度很差。為了更好理解FSV級(jí)數(shù)在復(fù)合散射領(lǐng)域的應(yīng)用，還需要做更為細(xì)致的研究工作。